openelab.de
openelab.com
Kun ihmiset kuulevat LoRaWANista ensimmäistä kertaa, he keskittyvät usein radio-osuuteen: kantamaan, pieneen virrankulutukseen ja alle gigahertsin viestintään. LoRaWANin todellinen vahvuus ei kuitenkaan ole vain radiolinkki. Se on järjestelmäarkkitehtuuri.
Siksi LoRaWANin ymmärtäminen tarkoittaa koko datapolun ymmärtämistä:
- solmun
- yhdyskäytävän
- verkkopalvelimen
- sovelluskerroksen
Jos ymmärrät vain yhden näistä osista, tulkitset yleensä koko järjestelmän väärin.
Aiheeseen liittyvät lähteet:
Hyödyllistä OpenELABin oheislukemista:
Kokonaiskuva
LoRaWAN käyttää tähtien tähtitopologiaa. Se tarkoittaa, että:
- päätelaitteet lähettävät LoRaWAN-paketteja
- yksi tai useampi yhdyskäytävä voi vastaanottaa ne
- yhdyskäytävät välittävät paketit IP-taustayhteyden kautta
- verkkopalvelin käsittelee LoRaWAN-logiikan
- sovelluspalvelimet käyttävät hyödyllistä dataa
Tärkeää tässä on, että päätelaitteen ei tarvitse tietää, mikä yhdyskäytävä sen kuulee. Se lähettää, lähellä olevat yhdyskäytävät kuuntelevat ja taustajärjestelmä hoitaa loput.
Tämä rakenne on yksi syy siihen, että LoRaWAN skaalautuu paremmin kuin monet mukautetut radiojärjestelmät.
1. Päätelaitteet: mistä data alkaa
Solmu eli pääte-laite on järjestelmän kentänpuoleinen osa.
Esimerkkejä ovat:
- ympäristöanturit
- sääasemat
- vuodonilmaisimet
- seurantalaitteet
- mittareiden päätelaitteet
- teollisuuden telemetriasolmut
LoRaWAN-järjestelmässä pääte-laite on yleensä optimoitu seuraaviin:
- pieni virrankulutus
- pienikokoiset hyötykuormat
- harvoin tapahtuva viestintä
- pitkä käyttöikä
Tällä on merkitystä, koska pääte-laite on yleensä järjestelmän rajoitetuin osa. Se voi olla:
- paristokäyttöinen
- fyysisesti etäällä
- vaikeasti saavutettavissa
- toimivan kuukausia tai vuosia
Siksi LoRaWAN välttää siirtämästä liikaa verkon monimutkaisuutta itse solmun vastuulle.
2. Yhdyskäytävät: RF–IP-silta
Yhdyskäytävä toimii langattoman kenttäverkon ja IP-taustajärjestelmän välissä.
Sen päätehtävä on suoraviivainen:
- vastaanottaa LoRaWAN-paketteja päätelaitteilta
- välittää ne IP-yhteyden kautta verkkopalvelimelle
- lähettää downlink-viestejä takaisin solmuille, kun taustajärjestelmä ajoittaa ne
Taustayhteys voi olla:
- Ethernet
- Wi-Fi
- matkapuhelinverkko
- valokuitu
- muut IP-yhteydet
Yhdyskäytävä on erittäin tärkeä, mutta se ymmärretään myös usein väärin.
Mikä yhdyskäytävä on:
- RF-signaalien vastaanotto- ja välityssilta
- peittoalueen laajennuspiste
- osa tiedonkeruukerrosta
Mitä yhdyskäytävä yleensä ei ole:
- koko verkon ohjain
- varsinainen sovellusprosessori
- liiketoimintalogiikan lopullinen lähde
Tällä erolla on merkitystä, koska monet aloittelijat kuvittelevat yhdyskäytävän paikalliseksi tukiasemaksi, joka hoitaa kaiken älykkyyden. LoRaWANissa suuri osa tästä älykkyydestä sijaitsee taustajärjestelmän syvemmillä tasoilla.
3. Verkkopalvelin: varsinainen ohjauskerros
Verkkopalvelin on yksi koko arkkitehtuurin tärkeimmistä osista.
Tässä kohtaa LoRaWAN-järjestelmästä tulee paljon enemmän kuin ”yhdyskäytävän vastaanottamia radiopaketteja”.
Verkkopalvelin hoitaa tyypillisesti seuraavat tehtävät:
- pakettien päällekkäisten vastaanottojen poistaminen
- laitteen istuntologiikka
- MAC-kerroksen tilanhallinta
- alaslinkin ajoitus
- verkkotason ohjaustoiminnot
- sovelluksen hyötykuormien välittäminen eteenpäin
Miksi päällekkäisten vastaanottojen poistaminen on tärkeää:
Todellisissa LoRaWAN-käyttöönotototeutuksissa useat yhdyskäytävät voivat vastaanottaa saman uplinkin. Se on normaalia. Verkkopalvelin päättää, miten tapahtuma käsitellään oikein, sen sijaan että päällekkäiset hyötykuormat sekoittaisivat sovelluksen.
Miksi ajoitus on tärkeää:
Alaslinkin lähetysmahdollisuudet ovat rajallisia ja arvokkaita. Verkkopalvelimen on päätettävä:
- milloin lähettää
- minkä yhdyskäytävän kautta
- millaisilla radioverkon rajoituksilla
Siksi LoRaWANia kuvataan usein verkkokeskeiseksi protokollaksi, vaikka päätelaitteet ovat yksinkertaisia.
4. Sovelluspalvelimet: missä tiedoista tulee hyödyllisiä
Kun verkko-osuus on hoitanut tehtävänsä, hyötykuormasta on tehtävä varsinaiselle sovellukselle hyödyllinen.
Se voi tarkoittaa seuraavaa:
- kojelauta päivittyy
- hälytys laukeaa
- tietokantaan tallennetaan merkintä
- automaatioalusta käynnistyy
- teollinen alusta vastaanottaa telemetriatietoja
Tässä kerroksessa syntyy liiketoiminta-arvo.
Esimerkkejä:
- sääntietojen historiakojelaudat
- kasteluhälytykset
- säiliön pinnankorkeuden valvonta
- ennakoivan kunnossapidon järjestelmät
- ympäristövaatimusten noudattamisen kirjaus
Toisin sanoen langaton yhteys toimii vain siirtokanavana. Käyttöönottoratkaisusta tekee merkityksellisen sovelluskerros.
5. Tyypillinen uplink-prosessi
Näin tavallisen uplinkin voi hahmottaa selkeimmin:
1. Kenttäanturi mittaa jotain. 2. Solmu koodaa tiiviin hyötykuorman. 3. Solmu lähettää LoRaWAN-paketin LoRa-radiolla. 4. Yksi tai useampi yhdyskäytävä vastaanottaa paketin. 5. Yhdyskäytävät välittävät sen IP-verkon kautta. 6. Verkkopalvelin käsittelee uplinkin. 7. Hyötykuorma reititetään oikeaan sovellukseen. 8. Sovellus tulkitsee tiedot ja käyttää niitä.
Tässä on LoRaWANin perusprosessi yhtenä ketjuna.
6. Miksi useat yhdyskäytävät voivat vastaanottaa saman laitteen lähetyksen
Tämä on yksi LoRaWANin elegantteja puolia.
Päätelaitteet eivät yleensä muodosta yhteyttä vain yhteen yhdyskäytävään aloittelijan ehkä odottamalla tavalla. Sen sijaan:
- solmu lähettää
- kaikki kantaman sisällä olevat yhdyskäytävät voivat vastaanottaa sen
- verkkopalvelin vastaanottaa välitetyt kopiot
- taustajärjestelmä käsittelee päällekkäisen vastaanoton oikein
Tästä on käytännön hyötyjä:
- parempi peiton vikasietoisuus
- joustavampi käyttöönotto
- helpompi skaalautuvuus
- parempi onnistuneen vastaanoton todennäköisyys
Se tarkoittaa myös, että yhdyskäytävä on pikemminkin jaettu RF-vastaanottopiste kuin henkilökohtainen tukiasema.
7. Miksi taustajärjestelmä tekee niin paljon työtä
LoRaWAN siirtää merkittävän osan logiikasta taustajärjestelmään syystä.
Jos järjestelmä siirtäisi kaiken monimutkaisuuden solmuun, kenttälaitteista tulisi:
- enemmän virtaa kuluttava
- kalliimpi
- vaikeampi ylläpitää
- heikommin skaalautuva
Sen sijaan LoRaWAN pitää laitteet suhteellisen kevyinä ja antaa verkkoinfrastruktuurin hoitaa suuren osan koordinoinnista.
Tämä on yksi syy siihen, miksi arkkitehtuuri toimii niin hyvin seuraavissa kohteissa:
- suuret käyttöönotot
- vähän huoltoa vaativat asennukset
- ammattimaiset IoT-järjestelmät
8. Miten liittyminen ja tietoturva sijoittuvat kokonaisuuteen
Vaikka aloittelijan ei tarvitse tuntea kaikkia salauksen yksityiskohtia heti ensimmäisenä päivänä, on tärkeää ymmärtää, että LoRaWANissa on myös jäsennelty aktivointi- ja tietoturvamalli.
Tämä tarkoittaa, että täydellinen LoRaWAN-järjestelmä ei ole vain:
- radiopaketit
- yhdyskäytävät
- koontinäytöt
Se tarjoaa myös:
- luotettu laitteiden käyttöönotto
- suojattu pääsy verkkoon
- hallitun istunnon toiminta
Tämä tietoturva-arkkitehtuuri on yksi syy siihen, miksi LoRaWANista on tullut niin tärkeä teollisuuden ja infrastruktuuritason IoT:ssä.
9. Miksi tämä arkkitehtuuri skaalautuu
LoRaWAN-järjestelmä skaalautuu hyvin, koska vastuut on erotettu selkeästi:
Päätelaitteet
- havaita
- siirtyä lepotilaan
- lähettää tiiviissä muodossa olevaa tietoa
Yhdyskäytävät
- tarjota radiotaajuuden kattavuutta
- välittää liikennettä
Verkkopalvelin
- hallita verkkologiikkaa
Sovelluskerros
- käyttävät tietoja
Tämä on paljon skaalautuvampi järjestely kuin yrittää saada jokainen laite osallistumaan monimutkaisempaan hajautetun verkon toimintaan.
10. Mitä tämä tarkoittaa todellisten laitevalintojen kannalta
Kun ostat tai suunnittelet LoRaWAN-laitteistoa, et valitse vain radiota. Valitset myös, mihin kohtaan laite sijoittuu tässä järjestelmässä.
Esimerkkejä päätelaitteista
- anturit
- sääsolmut
- ympäristömonitorit
- vähän virtaa kuluttavat seurantalaitteiden kaltaiset telemetrialaitteet
OpenELAB-esimerkkejä ovat:
- Seeed Studio SenseCAP S2120 8-in-1 LoRaWAN -sääanturi – täydellinen opas
- LoRaWAN-laitteet: ominaisuudet ja valintaopas
Esimerkkejä yhdyskäytävistä
Yhdyskäytävät valitaan seuraavien tekijöiden perusteella:
- sijoittelu
- tavoiteltu kattavuus
- sisä- vai ulkoasennus
- runkoverkkoyhteyden menetelmä
- läpäisykykyä koskevat odotukset
Siksi yhdyskäytävän todellisen roolin ymmärtäminen on tärkeää ennen sellaisen hankkimista.
11. Yleisiä aloittelijoiden väärinkäsityksiä
"Yhdyskäytävä on koko verkko."
Ei aivan. Yhdyskäytävä on tärkeä silta, mutta LoRaWAN-järjestelmä riippuu vahvasti myös verkkopalvelimesta ja sovelluskerroksesta.
"Laite keskustelee yhden yhdyskäytävän kanssa Wi-Fin tapaan."
Ei välttämättä. Useat yhdyskäytävät voivat vastaanottaa saman uplink-viestin.
"LoRaWAN on vain pitkän kantaman radio."
Ei. Se on LoRa-radioon perustuva täydellinen verkkoarkkitehtuuri.
"Sovellus saa tiedot suoraan yhdyskäytävältä."
Ei tavanomaisessa LoRaWAN-arkkitehtuurissa. Verkkopalvelin on keskeisessä roolissa tärkeistä syistä.
Lopuksi
Selkein tapa ymmärtää LoRaWAN-järjestelmän toiminta on tämä:
- solmu tuottaa kentältä kerättävät tiedot
- yhdyskäytävä yhdistää radiotaajuuden IP-verkkoon
- verkko- palvelin hallitsee LoRaWAN-logiikkaa
- sovelluskerros muuntaa hyötykuormat hyödyllisiksi lopputuloksiksi
Vastuunjako ei ole toteutuksen yksityiskohta. Se on yksi tärkeimmistä syistä, miksi LoRaWAN soveltuu niin hyvin skaalautuvaan ja vähän virtaa kuluttavaan IoT:hen.
Jos ymmärrät tämän ketjun selkeästi, lähes kaikki muut LoRaWAN-käsitteet on helpompi sijoittaa kokonaisuuteen.
